CAST空间碎片超高速撞击试验研究进展

超高速撞击试验是开展载人航天器及大型应用卫星空间碎片超高速撞击风险评估和防护设计的基础,作为我国航天器环境效应和可靠性工程验证部门的北京卫星环境工程研究所在这个领域做了大量的工作。文章介绍了二级轻气炮超高速撞击地面模拟试验技术、典型防护结构防护性能的超高速撞击试验验证、载人航天器外露材料超高速撞击特性、毫米级弹丸7 km/s以上超高速稳定发射技术探索、高性能防护结构研究等方面的若干近期进展。展望了我国空间碎片防护需求和地面超高速撞击试验研究的发展方向。     

激光驱动飞片系统模拟空间碎片超高速撞击

文章介绍了北京卫星环境工程研究所采用激光驱动飞片系统将厚度5μm的铝质飞片发射到8.3 km/s.该驱动系统采用调Q钕玻璃激光,脉宽15 ns,最大能量达到20 J.针对热控材料、舷窗玻璃及OSR等外部表面功能材料开展了超高速撞击实验研究,取得初步研究结果.实验结果表明激光驱动飞片技术可很好地用于模拟微流星/空间碎片超高速撞击效应研究.     

等离子体加速器动力学理论探索

等离子体驱动微小碎片加速器是利用大容量脉冲电容器组对等离子体同轴枪放电产生高温、高密度、高速等离子体,再用这些等离子体加速微粒（10～1 000 μm）至超高速（1～15 km/s）以模拟mm级以下空间碎片撞击效应的地面试验装置。为了提高微粒速度,需要增加等离子体的动量,而等离子体的动量与工作气体的性质及定向速度密切相关。文章用数值模拟及解析计算等理论方法来探索等离子体轴向速度、密度和温度与放电条件、加速电极参数和工作气体之间的关系。通过研究等离子体束与微粒间相互作用的动力学行为,寻求优化试验装置效率的有效途径。     

探测微小空间碎片的MOS电容传感器设计研究

获得在轨微小碎片环境数据,是建立、检验和完善微小碎片环境模型不可缺少的手段。国内空间碎片研究工作的深入开展,须要研制适合搭载到航天器上的微小碎片探测器,以完成轨道空间的微小碎片的质量、尺寸、速度及飞行方向等参数的测量。微小碎片撞击到金属-氧化物-半导体(MOS)电容传感器,会导致传感器放电和充电,通过检测充电过程的电脉冲信号,记录微小空间碎片撞击事件,从而获得微小空间碎片通量。文章就探测微小碎片的MOS电容传感器设计及其地面高速粒子撞击模拟试验进行了研究,并验证其探测微小空间碎片的可行性。     

空间微小碎片撞击对太阳能电池性能影响

文章利用中国科学院空间科学与应用研究中心的等离子体驱动微小碎片加速器,进行了空间微小碎片累积撞击太阳能电池的模拟试验。之后,利用体式显微镜统计出太阳能电池表面的撞击坑,并测量了撞击前后太阳能电池的开路电压、短路电流、最大输出功率等参数的变化。试验结果与理论分析揭示了引起太阳能电池功率衰减的主要原因是碎片累积撞击导致的太阳能电池表面损伤。     

球形弹丸超高速斜撞击薄板的碎片云和侵彻特征仿真分析

低地球轨道航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击。相较于正撞击,斜撞击现象更加普遍、更具研究价值。文章采用Autodyn-3D数值模拟软件,利用光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics, SPH）方法,模拟Al2017-T4球形弹丸超高速斜撞击Al2A12薄板的过程,开展弹丸撞击速度为3～6 km/s、撞击角度为0°～60°时的撞击特征仿真分析。结果表明:撞击角度对碎片云形貌与几何尺寸,以及穿孔大小和形状特征有显著影响;当撞击角度为30°～45°时会发生滑弹反溅现象,造成弹丸侵彻能力下降。研究结果可为超高速撞击防护结构的设计和改进提供支持。     

航天器舷窗玻璃超高速撞击损伤与M/OD撞击风险评估

用北京卫星环境工程研究所的18mm口径二级轻气炮(TLGG)和20 J激光驱动微小飞片装置(LDFF-20)对用作航天器舷窗玻璃的熔融石英玻璃的超高速撞击损伤特性进行了实验研究和分析.其中,TLGG发射的球形铝弹丸直径分别为1 mm和3 mm,速度2～6.5 km/s;LDFF-20发射的圆柱形飞片厚度7 μm,直径1 mm,速度1～8.3 km/s.撞击结果为:对12 mm厚的熔融石英玻璃,直径为3mm的弹丸甚至在2.8 km/s的低速下就将其穿透,而直径为1 mm的弹丸在6.5km/s的高速下没有穿透,这说明弹丸直径对撞击损伤特性有很强的影响;LDFF-20发射的微小飞片的撞击仅在玻璃表面产生很浅的凹坑,没有裂纹产生,但微小飞片的累积撞击损伤明显地降低了玻璃的透光性.实验初步获得了侵彻深度PC、侵彻直径D1与弹丸撞击速度Vp、弹丸质量Mp之间的经验关系.依据实验结果和目前的微流星体/空间碎片(M/OD)环境工程模型,建议对于高度为400 km、轨道倾角42°、寿命为3年的典型航天器,其舷窗玻璃的临界安全(非穿透)厚度至少为12mm.     

梯度波纹夹层防护结构超高速碰撞特性仿真研究

文章基于空间碎片被动防护需求,提出了一种梯度波纹夹层防护结构,并对其超高速碰撞过程及形成碎片云的特性进行了仿真分析。仿真结果表明,相比于Whipple结构,在梯度波纹夹层结构中冲击波的卸载方式更复杂,更有利于空间碎片的破碎;碰撞速度在5~20 km/s时,碎片云的膨胀半角先增大后减小;夹层结构中前置波纹板对撞击动能中不可逆功的吸收量和吸收占比最大。研究结果对空间碎片被动防护结构的设计具有一定的参考价值。     

卫星超高速撞击解体碎片特性的试验研究

为了研究超高速撞击下卫星解体碎片的分布特性,在弹道靶上开展了三次模拟卫星的超高速撞击试验。发射铝合金钝锥弹丸以3.2km/s~4.2km/s的速度撞击模拟卫星,对解体碎片进行回收、测量和统计分析,结果表明：碎片累积数量与碎片特征尺寸/特征质量在对数坐标系中基本呈直线关系,且碎片尺寸分布和质量分布在形式上和规律上具有高度相似性。通过数据拟合得到了碎片尺寸和质量分布的具体函数形式,分析了碎片质量分布与尺寸分布之间的内在关系。将试验结果与NASA标准解体模型进行了比较,讨论了两者的差别及其原因。
     

微米级空间碎片粉尘静电模拟加速设备现状原理及发展现状

由于微米级空间碎片数量巨大,与航天器的碰撞频率碰撞概率很高,虽然单次撞击不一定造成航天器损坏,但其累积效应仍然会影响航天器的性能。超高速地面模拟实验是研究微米级空间碎片撞击效应最直接、最有效的手段,国外已发展了粉尘静电加速设备用于模拟微米级空间碎片的撞击效应。文章对粉尘静电模拟加速设备的原理和发展现状进行了介绍,并对该种设备的优缺点进行了分析讨论。     

Debris dispersion effect in N-shape configuration

Spacecraft shields play an important role in shielding against the impact of space debris. Increasing the dispersion degree of the debris produced by the impact of the space debris on the bumper of configuration is able to lower the concentration of debris impacting on the rear plate and thus to reduce the risk of debris perforating the rear plate. In order to improve the dispersion degree, the N-shape configuration is proposed and studied by hypervelocity impact test with the velocity of 4.80 km/s and numerical simulation with the velocities ranging from 3.0 km/s to 7.0 km/s. As a comparison, the distribution of debris impacting on the rear plate is also investigated for the parallel triple-wall configuration with the same areal density. It is found that this degree is increased in the N-shape configuration due to the oblique plate, and therefore the risk of debris perforating the rear plate is reduced compared to the case of parallel triple-wall configuration.     

天基激光驱动空间碎片降轨效果仿真研究

在当前天基激光移除碎片方案设计中,通常采用k J级高能激光器、100 m/s大速度增量和简单降轨模型计算移除系统参数,然而k J级天基高能激光器尚未实现。文章基于目前实验室现有的J级激光器水平,参考现阶段碎片移除方案,针对特定区域的目标空间碎片,结合碎片轨道特性信息建立降轨模型,仿真研究目标碎片在低能量天基激光驱动下的运动过程和降轨效果,分析了影响目标碎片降轨效果的因素。对部署在500 km轨道高度的天基平台移除附近碎片的仿真结果表明,速度增量和降轨高度的变化具有累积效应,提高频率、增大有效作用距离等可延长激光烧蚀驱动时间,进而增强碎片降轨效果。分析表明,J级小能量激光器通过长时间的烧蚀,也可有效驱动和移除1~10 cm碎片。     

天基轻气炮发射清除低轨碎片方案及关键技术分析

文章分析了现有的空间碎片清除方式,并以800~1200 km低地球轨道高度上1~10 cm量级的空间碎片为清除目标,提出了天基轻气炮清除碎片的新方法。首先分析了轻气炮有效载荷在典型参数下的弹丸加速能力;之后根据将碎片降轨使其坠入大气层烧毁的设想,提出天基轻气炮共面清除碎片的方式,并选择轨道高度800 km的圆轨道作为碎片运行轨道进行可行性分析。计算表明,对半径10 cm、厚度1 cm的铝合金圆板碎片(质量211.95 g),使用初速1 km/s、重10 g的黏性弹丸可按任务方案达到清除效果。此外,计算出该参数弹丸对轨道高度800~1200 km的圆轨道上可清除的最大碎片质量为500~825 g,证明轻气炮弹丸对1~10 cm的碎片具有较强的清除能力。最后,分析了以轻气炮为有效载荷的航天器在完成清除碎片任务时的关键技术。     

Debris area distribution of spacecraft under hypervelocity impact

Cross-sectional area is an important parameter for spacecraft breakup debris as it is the directly measured data in space observation. It is significant for observing and analysing the spacecraft breakup event to accurately modelling the area distribution of the breakup debris. In this paper, experimental study has been performed on debris area distribution characteristics of spacecraft under hypervelocity impact. The tests are carried out at the ballistic ranges of CARDC. Aluminium projectiles are launched to normally impact the simulated spacecrafts at about 3.0 km/s. The simulated spacecrafts are made up of aluminium plates, filled with some simulated electronics boxes, each of which was installed with a circuit board. “Soft-catch” devices are used to recover the breakup fragments. The test results show that: 1) the relationship between the cross-sectional area and the characteristic length of debris, which can be obtained in the logarithmic coordinates by linear fitting, represents the debris shape characteristic in a certain extent; 2) the area-to-mass ratios of fragments show normal distributions in the logarithmic coordinates; 3) debris made of different materials can be distinguished by different peaks on the distribution curves; 4) the area-to-mass ratio distributions can be expressed by a linear superimposition of several normal functions which represent the main materials of the spacecraft.     

单次任务中主动清除多块碎片的仿真分析

针对国内外空间活动产生的碎片,文章采用多脉冲推力作用下的轨道机动仿真方法,在主要考虑总速度增量为2 km/s的约束条件下,计算碎片清除所需要的速度增量、任务时间以及清除个数。仿真结果表明,单次任务可以清除12块分布比较集中的碎片。研究结果可为我国今后空间碎片清扫任务的设计提供参考依据。     

CAST激光驱动微小飞片及其超高速撞击效应研究进展

激光驱动飞片技术(LDFT)在模拟微米级空间碎片对航天器的超高速撞击效应方面具有独特的优势。文章全面介绍了北京卫星环境工程研究所在激光驱动飞片技术与微米级空间碎片超高速撞击效应地面模拟研究中取得的若干进展,包括激光驱动飞片的理论计算、超高速飞片的稳定发射技术、超高速飞片速度瞬态测量技术、航天器外露表面的超高速撞击特性、超高速撞击累积损伤评价方法,以及微米级空间碎片超高速撞击防护技术探索等研究。同时,展望了激光驱动飞片技术以及微米级空间碎片累积撞击实验研究的发展方向。     

美国DMSP-F13卫星解体事件对空间碎片环境影响分析

2015 年2 月3 日,美国DMSP-F13 卫星发生爆炸解体,产生了百余块编目空间碎片。该卫星解体碎片主要分布在轨道高度600～1200 km 范围内,其中近50%的编目碎片在轨寿命将超过20 年,会对未来空间碎片环境构成长期影响。结合我国空间碎片环境工程模型SDEEM 对DMSP-F13 解体事件的分析结果显示,此次解体事件造成邻近轨道区域内空间碎片空间密度增加,对该区域航天器安全运行产生影响。     

超高速撞击中的弹丸形状效应数值模拟研究

文章用AUTODYN仿真软件对球形、圆锥形、圆柱形和盘形4种不同形状弹丸超高速撞击Whipple防护结构所产生的碎片云形貌特征及对后墙的毁伤程度进行了数值仿真研究。对比分析结果指出:质量与速度相等的4种不同形状弹丸撞击缓冲屏所产生的碎片云有明显差异;弹丸长径比越小,穿过缓冲屏后的破碎程度越大;在5 km/s撞击速度下,球形弹丸对后墙的毁伤程度最小,而圆柱形弹丸的毁伤程度最大。这说明弹丸的形状对超高速撞击结果有显著影响,在航天器超高速撞击风险评估和防护工程设计中应充分考虑弹丸的形状效应。球形弹丸的弹道极限曲线在防护结构的碎片防护能力评价时存在高估的问题,在实际工作中要特别注意这一点。